立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì) 認(rèn)知移動(dòng)機(jī)械手知覺和行動(dòng)的規(guī)劃安德烈 加舍爾a 斯維特拉娜a 羅納德 P.A. 彼得里克b 阿洛伊斯 克諾爾aa 德國，慕尼黑，慕尼黑工業(yè)大學(xué)，富通學(xué)院b 英國，愛丁堡，愛丁堡大學(xué)，信息科學(xué)學(xué)院摘要本文提出一個(gè)通用的方法來實(shí)現(xiàn)感知運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的知覺和操作的規(guī)劃，相比較于硬編碼專用機(jī)器人應(yīng)用,機(jī)器人應(yīng)該能夠推斷其基本技能以自主解決復(fù)雜問題。對(duì)于實(shí)際場景的抽象問題人類根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)通過分解為更小的子任務(wù)和試探法直觀地解決任務(wù)，我們把類似的方法應(yīng)用到感知運(yùn)動(dòng)機(jī)器人知覺和操作的規(guī)劃。我們的方法以偶然性規(guī)劃和運(yùn)行時(shí)傳感為基礎(chǔ)，集成在我們的“知識(shí)卷”中規(guī)劃框架，稱為KVP。在信息采集活動(dòng)時(shí)我們模擬了運(yùn)行時(shí)許多可能發(fā)生的結(jié)果。結(jié)果是，知覺和感覺取決于必要的操作先決條件，而不是硬編碼的任務(wù)本身。我們展示的是一個(gè)真正的移動(dòng)機(jī)械手在視覺和力傳感兩個(gè)場景中的有效性。關(guān)鍵詞：機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃；移動(dòng)操作1.引言在實(shí)際環(huán)境中控制移動(dòng)機(jī)械手本質(zhì)上是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因此它通常需要推理出對(duì)不確定條件下的感知和行動(dòng)。為了解決這些困難，我們提出一個(gè)能作為機(jī)器人知覺和行動(dòng)之間的中間代碼并結(jié)合了象征性人工智能進(jìn)行有效計(jì)算的名叫“知識(shí)卷”的應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃。KVP方法主要有兩個(gè)原則使之能特別應(yīng)用于機(jī)器人的知覺和操縱與不確定的或不完全的知識(shí)，真實(shí)世界幾何學(xué)，多元機(jī)器人和傳感器。首先,我們使用規(guī)劃知識(shí)和遙感作為底層象征性的計(jì)劃系統(tǒng)1,2。相比其他許多現(xiàn)成的計(jì)劃引擎，PKS運(yùn)行在能代表已知和未知的信息知識(shí)水平，使其能清晰和簡潔地模擬在域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，原因在于部分已知的環(huán)境是典型的移動(dòng)操作。第二，與其離散搜索空間，我們表述許多基于先決條件感知和操縱連續(xù)卷，特別設(shè)置的幾何凸多面體3,4。這卷的概念在幾何級(jí)和象征性的水平作為模擬知覺和行動(dòng)一個(gè)強(qiáng)大的中間表示。我們的方法是最早設(shè)置一個(gè)介于連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和視覺錐細(xì)胞之間的凸多面體中介表示，離散象征性運(yùn)動(dòng)，建立一個(gè)結(jié)合幾何和符號(hào)認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)。在以往的研究中，我們介紹了通用KVP框架4,5，并細(xì)節(jié)性的描述了集凸多面體容積排量的計(jì)算3和規(guī)劃的突發(fā)事件6。這個(gè)工作改為集中在一個(gè)移動(dòng)操作方案，其中演示了KVP處理的幾個(gè)關(guān)鍵特性的方法(見圖1)，即以傳感器行動(dòng)計(jì)劃（感知），離散不確定（不完整的知識(shí)）和操作。(a) 我們?cè)u(píng)估一個(gè)工廠設(shè)置中的一個(gè) （b）行動(dòng)的幾何條件和影響，機(jī)器人動(dòng)武士刀五自由度機(jī)械手移動(dòng) 作的工作空間（紅色）和凸多面體 平臺(tái)的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃 的對(duì)象邊界建模。（藍(lán)色為可移動(dòng)的物體，灰色為靜態(tài)障礙物）圖1 移動(dòng)操縱場景1.1相關(guān)工作早期認(rèn)知移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)工作要追溯到1984年如機(jī)器人沙基7。從那時(shí)起,這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,且認(rèn)知規(guī)劃架構(gòu)已經(jīng)從不同的研究視角被提出，包括來自人工技能的概率技術(shù)8，趨近世界的象征性規(guī)劃9-11，中繼合成12,13，抽檢操作計(jì)劃14,15。一個(gè)與我們方法密切相關(guān)的貢獻(xiàn)是來自于信任空間規(guī)劃師 Kaelbling和Lozano-Prez8,16，他們模擬信任空間的概率分布狀態(tài)，使其有強(qiáng)大的應(yīng)對(duì)未知和挑戰(zhàn)的能力。與信任區(qū)域形成對(duì)照的是，我們的工作反而依靠的是離散的知識(shí)和設(shè)計(jì)成不完全信息和傳感的結(jié)構(gòu)化環(huán)境。此外，盡管Kaelbling和Lozano-Prez使用八叉樹代表機(jī)器人姿態(tài)容積排量，我們使用凸多面體，允許在確定性情況下非常有效的碰撞檢測3。在這兩種情況下,知覺是制定操作的必要前提,而不是硬編碼為一個(gè)任務(wù)本身。在其他重要的方面我們的工作也不同于Kaelbling Lozano-Prez。特別是我們的方法是新穎的，在規(guī)劃不完整的信息和傳感時(shí)應(yīng)用3D幾何容積作為象征性規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基本代表，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)成的多用途的人工智能的支持確定。這允許我們定義幾何先決條件和操作行為，涉及到知識(shí)的得失，并產(chǎn)生解決交錯(cuò)傳感和操縱行為的方案6，是之能成為一個(gè)有希望的方案解決移動(dòng)機(jī)械手合并知覺和行動(dòng)規(guī)劃的問題。此外,我們可以很容易地集成未來改進(jìn)新計(jì)劃引擎,有效利用人工智能社區(qū)。最后,我們的工作是展示了移動(dòng)機(jī)械手，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)場景執(zhí)行在一個(gè)真正的武士刀機(jī)械手移動(dòng)平臺(tái),而不是僅僅在一個(gè)模擬的環(huán)境。2.方法KVP機(jī)器人試圖應(yīng)對(duì)固有的困難推理對(duì)象征性的行動(dòng)和幾何條件和效果任務(wù)規(guī)劃方法的兩個(gè)重要的原則,:知識(shí)的表示和卷的表示4,5。知識(shí)的概念被用來模擬規(guī)劃者的信任狀態(tài)的性能，而不是直接代表世界的狀態(tài)。這種方法是由我們?cè)?.1節(jié)描述的知識(shí)型象征性規(guī)劃者（規(guī)劃知識(shí)和傳感）1,2來實(shí)現(xiàn)的。從符號(hào)層,我們考慮幾何條件和效果的評(píng)估使用套凸多面體的表示。這個(gè)過程的細(xì)節(jié)在2.2節(jié)給出。之間的聯(lián)系這兩個(gè)級(jí)別的表示是闡明在2.3節(jié),我們簡要描述的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)。在本文的其余部分我們將討論KVP框架在評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)操縱和力傳感兩個(gè)任務(wù)規(guī)劃情節(jié)中的應(yīng)用。2.1知識(shí)遙感規(guī)劃KVP中的象征性規(guī)劃有由多用途的可以構(gòu)造離散的不確定規(guī)劃過程知識(shí)系統(tǒng)規(guī)劃者提供1,2。特別的是，過程知識(shí)系統(tǒng)可以模擬知識(shí)的獲取和知識(shí)的損失，使其適合表示傳感和感知行為。不同于許多規(guī)劃者，過程知識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用“知識(shí)水平”推出如何策劃知識(shí)狀態(tài)，而不是世界的狀態(tài)，因?yàn)樾袆?dòng)是變化的。為此，過程知識(shí)系統(tǒng)使用一個(gè)擴(kuò)展基于一個(gè)組5個(gè)數(shù)據(jù)庫的斯坦福研究院問題解決系統(tǒng)，每個(gè)模型有一種特殊的可以解釋模態(tài)邏輯的知識(shí)。不同于那些使用世界模型或者陳述信任空間的規(guī)劃者，過程知識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用一個(gè)第一語言受限制的子集，支持函數(shù)和運(yùn)行時(shí)變量,來幫助改善其推理和計(jì)劃生成過程的效率。在這項(xiàng)工作中,我們使用在過程知識(shí)系統(tǒng)中的三個(gè)可用的數(shù)據(jù)庫：Kf，Kw和Kv，Kf數(shù)據(jù)庫包含已知的被用于模擬物理行為改變世界的影響的事實(shí)。更正式地,公式Kf表示“規(guī)劃師知道”這一事實(shí)。第二個(gè)數(shù)據(jù)庫Kw模擬運(yùn)行獲取信息時(shí)可以返回兩個(gè)值中的一個(gè)的行為影響。規(guī)劃期間,一個(gè)公式Kw代表規(guī)劃師知道的想法或,然而,實(shí)際在執(zhí)行計(jì)劃時(shí)的二進(jìn)制值只會(huì)變得已知,即當(dāng)一個(gè)物理傳感器使用。最后，Kv數(shù)據(jù)庫代表在執(zhí)行時(shí)間知識(shí)函數(shù)值。因此，Kv能模擬影響感應(yīng)動(dòng)作返回一般常量（Kw相比,這只能模型傳感器與二進(jìn)制的結(jié)果）。過程知識(shí)系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)讀者參考之前描述的過程知識(shí)系統(tǒng)1,2和它在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用5。2.2建立凸多面體的幾何問題除了知識(shí)的概念，我們KVP方法的原則基礎(chǔ)是代表所有幾何對(duì)象的想法和機(jī)器人臂套凸多面體6。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以消除離散符號(hào)和連續(xù)的幾何規(guī)劃之間的差距，有效地評(píng)估一個(gè)范圍廣泛的幾何條件和影響。然而，在一般情況下，任意一個(gè)非凸網(wǎng)格，分解成一個(gè)小的（或最?。┑耐苟嗝骟w是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。雖然確切的分解問題是眾所周知的NP-hard問題，馬和公司最近提出的近似算法18，對(duì)于我們的問題實(shí)例的類型是足夠的效率，即分解場景中的機(jī)器人和對(duì)象的CAD模型。正如我們先前描述的工作3,6，我們首先應(yīng)用Garland和Heckbert19的網(wǎng)格簡化算法減少過度的CAD模型104-105的懲罰三角形。分層近似凸分解可自動(dòng)分解這些模型為10凸模型的20個(gè)頂點(diǎn)18，在30毫米的精度，并在幾秒鐘的時(shí)間計(jì)算。分解是一個(gè)迭代的方式進(jìn)行，搜索“三角形的對(duì)偶圖的邊凹”。搜索是由混合成本的功能為導(dǎo)向，有利于較高的局部凹凸的三角形，高寬比。然后，網(wǎng)格頂點(diǎn)的分層分割為多個(gè)凸體。實(shí)際分解后，另一個(gè)小網(wǎng)格簡化可能進(jìn)一步減少頂點(diǎn)的數(shù)目。這種表示的機(jī)器人和對(duì)象模型在手，我們可以有效地執(zhí)行所有的幾何查詢，在一個(gè)典型的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方案需要（見圖1）。對(duì)象或?qū)ο蠛挽o態(tài)機(jī)器人之間的碰撞和夾雜物的查詢，我們可以直接利用的吉爾伯特約翰遜算法實(shí)現(xiàn)20（GJK）。對(duì)對(duì)象之間的碰撞查詢和掃頻連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)量，我們第一次品嘗機(jī)器人的姿勢和計(jì)算所涉及的掃過容積在二次收斂速度的凸分解3；一旦掃過容積是可用的，這個(gè)問題同樣降低了純凸碰撞檢查。作為一個(gè)結(jié)果，我們的kVp的結(jié)構(gòu)特征的一種非常有效的所有幾何查詢我們的領(lǐng)域出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)。圖2 所實(shí)現(xiàn)的kVp軟件體系結(jié)構(gòu)概述2.3 kVp的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)我們的kVp的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃軟件的實(shí)現(xiàn)分為幾個(gè)部分，執(zhí)行或被稱為庫函數(shù)，如圖2所示。首先，機(jī)器人和對(duì)象的幾何量簡化和分解過程中的域定義。在這個(gè)時(shí)候，機(jī)器人和對(duì)象位置的具體問題的實(shí)例是不知道只涉及的所有卷的CAD模型，靜態(tài)參數(shù)（如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)），和符號(hào)域定義的謂詞，行動(dòng)，和目標(biāo)是使用。在計(jì)劃的生成時(shí)間，PKS規(guī)劃師搜索動(dòng)作序列的符號(hào)和幾何條件的規(guī)劃師的知識(shí)狀態(tài)，滿足，和其執(zhí)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的條件。評(píng)估幾何條件和影響，PKS進(jìn)行直接的函數(shù)調(diào)用特定于域的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和碰撞檢測等功能。一個(gè)有效的象征性的行動(dòng)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的順序產(chǎn)生作為輸出。在運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑是通過一個(gè)簡單的軌跡發(fā)生器和物理機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的內(nèi)插。千伏峰值也允許運(yùn)行時(shí)檢測和分辨率的支鏈的計(jì)劃，在力傳感方案在3.2節(jié)后來證明。3.評(píng)價(jià)在我們的評(píng)價(jià)，我們實(shí)現(xiàn)了與羅勃提諾的全方位移動(dòng)平臺(tái)和武士刀五自由度機(jī)械手在移動(dòng)操作的情況下測試我們的方法，如圖1a所示。相比之下,我們簡要概括的結(jié)果力傳感場景從早些時(shí)候的工作6,第二個(gè)場景顯示了另一個(gè)有趣的交互之間相互依存的感知和操縱行為。3.1移動(dòng)操縱場景在移動(dòng)操作的情況下，一個(gè)單一的移動(dòng)機(jī)器人必須移動(dòng)一塊新的一堆n塊在保持原有秩序下（見圖4）。這項(xiàng)任務(wù)是定義在kVp作為移動(dòng)操縱問題包括抓取，放置，和移動(dòng)的動(dòng)作。為PKS規(guī)劃師象征行動(dòng)定義在圖3（和一些輔助功能略為簡潔）。特別是，動(dòng)作拿起和放下的先決條件，包括機(jī)器人接近的位置，并可以通過移動(dòng)接近行動(dòng)了。同時(shí)，這些行動(dòng)的前提條件和效果，確保只有一個(gè)對(duì)象可以在任何一個(gè)時(shí)間，在機(jī)器人的夾持器。謂詞是可到達(dá)的位置是一個(gè)特定于域的屬性，通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和碰撞檢測庫評(píng)價(jià)實(shí)例，提供了象征性的規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制之間的聯(lián)系。該域的在實(shí)施工作所有細(xì)節(jié)都由諾金描述21。這一領(lǐng)域的目標(biāo)的條件是，所有的對(duì)象都是放在現(xiàn)場留下的位置在一個(gè)特定的順序棧（見圖4）。為了評(píng)估，但最低的對(duì)象已經(jīng)放在堆棧（圖4），所以在這種情況下，任何解決方案，包括移動(dòng)所有對(duì)象到一個(gè)不同的位置（圖4B），插入新的對(duì)象，并建立堆棧中定義的順序（圖4c）。圖3 移動(dòng)操縱場景：象征性的行動(dòng)定義表1：移動(dòng)操作方案的評(píng)價(jià)，其中n是被堆放在一個(gè)給定的順序。盡管這個(gè)問題看似簡單的解決了，找到一個(gè)正確的計(jì)劃需要一個(gè)系統(tǒng)性的搜索，任何動(dòng)作的正確順序的偏差將使目標(biāo)不可行。這一提法，移動(dòng)操作的情況下是蘇斯曼的異常的一個(gè)典型例子22，正確的解決方案不能由一個(gè)本地搜索。如表1所示的評(píng)價(jià)領(lǐng)域，變得不可行，n8，由于一個(gè)普通的臺(tái)式電腦內(nèi)存有限。我們特意為這個(gè)例子來說明KVP目前的限制，并激勵(lì)我們今后的工作旨在改善我們的規(guī)劃算法。3.2力傳感方案相反，移動(dòng)操作的情況下，為了證明的感知和操作之間的相互作用，根據(jù)我們以前的工作6，我們提出的第二個(gè)域。在力傳感方案（圖5A），柔性機(jī)器人有把握，提升能力，和轉(zhuǎn)移的飲料容器并定位在桌子。當(dāng)一個(gè)容器時(shí)，機(jī)器人可以感覺到它的重量，由此，原因是飲料必須直立為了避免溢出。我們的目標(biāo)是將所有容器放到第二個(gè)桌子上，如果需要機(jī)器人可以在這些運(yùn)動(dòng)過程中保持其夾立。正式地，域的重要作用被定義如圖5b所示。只有當(dāng)一個(gè)對(duì)象被確認(rèn)不會(huì)溢漏機(jī)器人用行動(dòng)傳遞速度快可能不保持直立，。然而，由于這方面的知識(shí)，運(yùn)行時(shí)不可用，要建立感應(yīng)重力的支（分支），記錄在PKS Kw的數(shù)據(jù)庫知識(shí)建模，這是它一個(gè)對(duì)象可以溢出，以及不溢漏的情況下一個(gè)對(duì)象的原因，我們的軟件框架（圖2）執(zhí)行行動(dòng)計(jì)劃和選擇合適的分支遵循基于以前的感知行動(dòng)的運(yùn)行結(jié)果。這個(gè)方案是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合阻抗控制和力控制輕七自由度機(jī)器人手爪的平行測試，如圖5所示。用內(nèi)轉(zhuǎn)矩傳感物體的重量的外力。4.結(jié)論在本文中，我們?cè)谝苿?dòng)操作領(lǐng)域提出一個(gè)應(yīng)用我們的“知識(shí)卷”的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方法（KVP）。特別是，我們描述了為何認(rèn)知移動(dòng)機(jī)器人對(duì)知識(shí)的獲取和知識(shí)流失的原因，我們制定的有符號(hào)和幾何條件影響的感知和操作行為。我們的kVp的框架用結(jié)合的知識(shí)層面的規(guī)劃和凸多面體幾何判定評(píng)估的方法解決這類問題。致謝作者希望感謝基蘭菲舍爾和索倫對(duì)他們進(jìn)行實(shí)施和評(píng)估的幫助，以及馬庫斯李凱爾特他的手稿上的評(píng)論。由歐盟第七框架計(jì)劃支持這項(xiàng)研究的部分通過杰姆斯項(xiàng)目。圖4 由一個(gè)三自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)操作場景圖5 在力傳感的場景中, 如果飲料容器被填滿柔性機(jī)器人能感覺到，并能保持直立移動(dòng)的同時(shí)防止溢出，除非他們是完全空的或不開。參考文獻(xiàn)1. 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J.薩斯曼,獲得技能的計(jì)算模型.博士論文,麻省理工學(xué)院, 1973.虛擬目錄.相比卷. 9025 90250D-7畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告題目：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真院（系） 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 導(dǎo) 師 2014年4 月25 日1. 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r本課題的主要研究內(nèi)容是根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。技術(shù)指標(biāo)（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍30-120mm。又由于精鍛機(jī)在加工過程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。故根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機(jī)的加工對(duì)象確定被夾持對(duì)象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件。設(shè)計(jì)進(jìn)展?fàn)顩r：1 在老師的指導(dǎo)下以及相關(guān)資料的幫助下，對(duì)立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手 有一個(gè)系統(tǒng)的了解。2 調(diào)研并收集資料，整理資料，了解了題目背景、意義、前景等，通過查閱相關(guān)資料，確定了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的初步方案，對(duì)上料機(jī)械手的總體工作原理有了一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。3 通讀期刊文獻(xiàn)18篇，完成調(diào)研，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4 完成總體設(shè)計(jì)方案，確定機(jī)械手機(jī)械手方案采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。順利完成開題答辯以及開題報(bào)告。5 完成外文文獻(xiàn)的翻譯。6 正在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算需要進(jìn)行鉗爪的夾緊力、夾緊油缸及手腕回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)外徑設(shè)計(jì)計(jì)算及相關(guān)的校核計(jì)算。已經(jīng)完成了鉗爪的夾緊力，夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，夾緊油缸活塞桿的計(jì)算及手腕回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。從而得到驅(qū)動(dòng)力、夾緊油缸內(nèi)徑和外徑，活塞桿的直徑，回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑和外徑等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在以圖1為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的描述：(一) 確定“V”型鉗爪的L、取L/Rop=5 （31）式中：Rop=(RMax +RMin)2+ （32） =(15+60)2+=37.5mm由公式（31）、（32）得：L=5Rop=187.5mm取“V”型鉗口的夾角2胃=120，則偏轉(zhuǎn)角按工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)表2-3來確定，查表得：=7639（1） 握力的計(jì)算依據(jù)手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），一般來說，手指握力需克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），使得工件保持良好的夾緊狀態(tài)。握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置、以及夾持工件的范圍有關(guān)，我們把握力假想為作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式計(jì)算： FNK1K2K3G （3-3）其中K1：安全系數(shù)，通常取1.2-2.0； K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1.12.5，或近似按下式估算K2=1+a/g。（a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中的加速度，m/s2; g 為重力加速度）；K3：方位系數(shù)，按機(jī)械手理論及應(yīng)用表4-3選取，K3=0.5sinf4；+ G: 被抓取工件的重量（即重力）。（2） 握力的計(jì)算FN=K1K2K3G =k1k2 (0.5sinf) G=1.51.14609.8=3880.8 N =(二) 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算（1） 理論驅(qū)動(dòng)力F理論的計(jì)算查資料機(jī)械手理論及應(yīng)用可得，作用在活塞桿上的理論驅(qū)動(dòng)力為： F理論=2baFN （3-4）式中 b-加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離， b=Lsin=182mm； a-初選扇形齒輪分度圓半徑為a=50mm； FN-手指的夾緊力，N=3880.8 N。由此可計(jì)算的F理論=28252.22N（2） 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際的計(jì)算取傳遞效率畏=0.95 F實(shí)際= F理論 (3-5) =28252.220.95 =29739.18N(三) 夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算夾緊油缸作為作為機(jī)械手手指的動(dòng)力源，為手指的張開、閉合提供動(dòng)力。因此要具有一定的推動(dòng)能力，這里選用的是雙作用單桿活塞油缸，當(dāng)壓力油分別進(jìn)入油缸的有桿腔和無桿腔時(shí)，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手手指的開閉。當(dāng)油液進(jìn)入油缸有桿腔時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指張開，當(dāng)油液從無桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指閉合。（2）油缸內(nèi)徑D由(3-5)計(jì)算可知，手指的開閉實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際=29739.18N，此驅(qū)動(dòng)力由油液推動(dòng)活塞帶動(dòng)活塞桿提供，所以有：F實(shí)際=14D2p根據(jù)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)表4-2選取油液壓力p=2.2MPa D=4F實(shí)際/p （3-6） =429739.182.2106得油缸內(nèi)徑D=131.2mm表3.1 液壓缸內(nèi)徑及柱塞桿外徑尺寸系列（GB/T2348-1993）（mm）液壓缸內(nèi)徑尺寸810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220（250）（280）320（360）400450500活塞桿外徑尺寸456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360括號(hào)內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸，柱塞桿連接螺紋型式按細(xì)牙，規(guī)格和長度查有關(guān)資料。選擇油缸內(nèi)徑D=140mm。（3）液壓缸外徑計(jì)算對(duì)于低壓缸，D16，應(yīng)按薄壁公式計(jì)算： 0.1DPD2ds （3-7）液壓缸采用無縫鋼管，查表可得=100MpaPD2=2.21060.142100106d=1.54mms查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)，選取液壓缸外徑D1=160mm。對(duì)缸壁厚度校核： =（0.4r2+1.3R2R2r2）ps （3-8） =（0.4702+1.3802802702）2.2s =15.08MPa滿足材料的強(qiáng)度要求，所以液壓缸滿足工作要求。（4）夾緊油缸活塞桿計(jì)算按往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度比確定活塞桿直徑速度比蠁=V2V1=233176=1.32 （3-9）活塞桿直徑dd=D1=1401.3211.32=68.93mm （3-10）選取d=70mm?；钊麠U的強(qiáng)度校核:活塞桿的材料為45鋼，桿長L約大于桿直徑的15倍，所以：桿長L15d=1570=1050mm活塞桿材料為碳鋼，s=350paMPa，b=210MPa，E=210Gpa，碳鋼的=100120MPa，活塞桿的受力：=F14d2=29739.1814702=7.72MPa （3-11）所以活塞桿的強(qiáng)度滿足要求?；钊麠U穩(wěn)定性校核：特定柔度值1=EP=210109280106=86 （3-12）柔度 =1i=14d=0.71.05140.07=42 （3-13）因?yàn)?，故不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力18，由材料力學(xué)表10.1可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：2=asb=4613502.568=43.2 （3-14）由（3-12）、（3-13）、（3-14）可見活塞桿滿足21，是中等柔度壓桿，其臨界應(yīng)力：cr=a-b=461-2.56842=353.144Mpasl=- = （3-15）由此可見，臨界壓力遠(yuǎn)大于工作時(shí)壓力，故穩(wěn)定性滿足要求。（5）油液流量計(jì)算油液進(jìn)入無桿腔時(shí)的流量Q1：Q1=1/4Dv=1/414217.6=2709.3cm3/s （3-16）油液進(jìn)入有桿腔時(shí)的流量Q2：Q2=1/4（D2-d2）v =1/4（142-72）23.3=2690.07cm3/s （3-18）（6）傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及校核由于該齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，屬于一般的通用機(jī)械，所以采用齒面硬度350HBS的軟齒面鋼制齒輪，按照齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算原則，本設(shè)計(jì)應(yīng)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，待確定了齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸后，再驗(yàn)算齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。a確定傳動(dòng)齒輪的材料、熱處理方法及精度等級(jí)1 查資料機(jī)械設(shè)計(jì)表10-1，扇形齒輪材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為220HBS;2 由于機(jī)械手的齒輪傳動(dòng)為一般的齒輪傳動(dòng)，圓周速度不會(huì)太大，故可選用8級(jí)精度19；3 初選齒輪齒數(shù)z=20。b. 按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪由于本設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)為軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪的承載能力主要有齒輪接觸疲勞強(qiáng)度決定，故可按機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即 d12.323KT1 du1u（ZEH）2 （3-19）1. 確定載荷系數(shù)因該齒輪傳動(dòng)是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對(duì)支承是對(duì)稱分布，根據(jù)原動(dòng)機(jī)和載荷性質(zhì)查資料機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)中表5-8，試取Kt=1.3；2. 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)矩 T=95.5105Pn （3-20）由于手指由張開到閉合的時(shí)間t=0.2s，液壓缸的行程暫定為l=150mm，則可求齒輪的線度： V=lt=750mm/s （3-21）由（3-21）進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速： n=w2=v2a=75025060=143r/min （3-22）由（3-4）、（3-21）得輸入功率：P=F理論V=28252.220.75=21.189KW （3-23）由公式（3-22）（3-23）得 T1=95.510521.189143=1.415106N.mm=1415N.m由公式（3-3）算出的握力FN和公式（3-4）中的加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b可以算出夾持力矩T2=FNb=3880.80.182=706.3N.m齒輪轉(zhuǎn)矩T。故齒輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到技術(shù)要求，加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b=182mm滿足要求。3. 選取齒面寬系數(shù)由于本齒輪傳動(dòng)中齒輪為懸臂布置，且為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，故選取齒寬系數(shù)為d=0.8；4. 選取材料的彈性影響系數(shù)ZE 由于兩齒輪材料均為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)表10-6可取材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa5. 查取齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-21d按齒面硬度查得扇形齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為: Hlim=560MPa；6. 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)擬定工作壽命為15年，按每年300天，每天按8小時(shí)計(jì)算。則由機(jī)械設(shè)計(jì)式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得：N=60njLh=601431（830015）=3.09脳108次 （3-24）7. 查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：KHN=0.958. 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力對(duì)于解除疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、震動(dòng)增大，并不會(huì)立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取安全系數(shù)S=1，由資料機(jī)械設(shè)計(jì)式（10-12）得：H= KHN Hlim s=0.95脳560=532MPa （3-25）9. 計(jì)算分度圓直徑d由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無窮大，所以u(píng)1u=1d1t2.323KtT1 du1u（ZEH）2 =2.3231.31.4151060.81（189.8532）2 =154.033mm10. 計(jì)算齒寬b=dd1t=0.8154.033=123.23mm （3-26）模數(shù)mt=d1tz= 154.03320=7.7mm （3-27）齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.257.7=17.329mm （3-28）則齒寬與齒高之比bh=123.2317.329=7.11 （3-29）11. 計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)由（3-21）得V=0.75m/s，8級(jí)精度，由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.05;直齒輪，KH=KF=1;由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-2查得使用系數(shù)KA=1;由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-4查得8級(jí)精度、齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)，KH=1.796;由bh=7.11，KH=1.796查機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-13得KF=1.52；故載荷系數(shù)K=KAKVKHKH=11.0511.796 =1.885812. 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑由機(jī)械設(shè)計(jì)式（10-10a）得d1=3KKtd1t=31.88581.3 154.033=174.37mm （3-30）計(jì)算模數(shù) m=d1z=174.37/20=8.72mm13. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪由機(jī)械設(shè)計(jì)式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m32KT1 dz1（YFaYSaF） （3-31）14. 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE=380MPa；由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN=2.0;15. 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由機(jī)械設(shè)計(jì)式（10-12）得F= kFNFES=2.03801.4MPa=542.857MPa （3-32）16. 計(jì)算載荷系數(shù)K=KAKVKFKF=11.0511.52=1.596 （3-33）17. 查取齒形系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5查得YFa=2.80。18. 查取應(yīng)力校正系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5查得YSa=1.55。19. 設(shè)計(jì)計(jì)算m32KT1 dz1（YFaYSaF） = 321.5961.4151060.820（2.801.55542.857） =4.83mm對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，故可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.83并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=5mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=174.37mm。第一系列0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.522.5345681012162025324050 第二系列0.350.70.90.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.55.5（6.5）79（11）14182228（30）3645表3-3漸開線圓柱齒輪模數(shù)（GB/T 1357-1987）算出齒輪齒數(shù)Z=d1m=174.3753520. 計(jì)算幾何尺寸計(jì)算分度圓直徑d=zm=355=175mm計(jì)算齒輪寬度b=dd=0.8175=140mm（四）手腕回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)計(jì)算在手腕的回轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐孔的摩擦力矩、密封裝置的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)重心和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合的偏重力矩，所以有： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封 （3-19）（1）手腕加速起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣把手部、轉(zhuǎn)軸以及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)部分等效為一個(gè)高54cm，直徑18cm的圓柱體，其所受重力為350N。則有手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：J=1/2mR2=1/2350.092=0.14175N.m （3-20）假設(shè)工件直徑10cm，長度100cm，質(zhì)量60kg。工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J工件：J工件=1/12m（L2+3R2） （3-21） =1/1260（12+30.052） =5.0375N.m手腕回轉(zhuǎn)角速度=15rad/s，取啟動(dòng)時(shí)間t=2s。由（3-20）、（3-21）得手腕加速起動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣：M慣=（J+J工件）t=（0.14175+5.0375）152=38.84N.m （3-22）（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工件偏重力矩M偏假設(shè)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，所以有M偏=0 N.m （3-23）（3）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩M摩為簡化計(jì)算，可取M摩=0.1M驅(qū) （3-24）（4）密封處的摩擦阻力矩M封為簡化計(jì)算，可取M封=0.15M驅(qū) （3-25）根據(jù)以上公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）的計(jì)算可知：M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封=38.84+0+0.1M驅(qū)+0.15M驅(qū)得M驅(qū)=51.79N.m（5）回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計(jì)算回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩M M=pb(R2r2)2 （3-26）其中取動(dòng)片寬度b取30mm，輸出軸半徑r=30mm，油液壓力p=2.2Mpa。因?yàn)橛蠱M驅(qū),即M=pb(R2r2)2=1/22.21060.03（R2-0.032）51.79得R=49.7mm,即是油缸內(nèi)徑D1=99.4mm。選取標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑D1=100mm。（6）回轉(zhuǎn)油缸外徑計(jì)算對(duì)于手腕回轉(zhuǎn)油缸，D3.2，根據(jù)油缸的工作要求，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)，選取外徑D2=140mm。2. 存在問題及解決措施在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，遇到一些問題：1 對(duì)手爪結(jié)構(gòu)了解較少，加之被加持工件直徑在30-120mm之間，范圍較大，設(shè)計(jì)出的手爪結(jié)構(gòu)不夠緊湊。2 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如夾緊油缸內(nèi)徑選取時(shí)，找不到相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)；3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)方案還有一些漏洞瑕疵，需要進(jìn)一步改進(jìn)；4 專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有待加強(qiáng)。解決措施：1 查閱資料和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，對(duì)手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，采用齒輪齒條式手爪，動(dòng)作靈活，且手指開閉角大；2 充分利用圖書館信息資源查閱有關(guān)資料，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)，熟悉選取準(zhǔn)則，進(jìn)而進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)計(jì)算；3 積極向指導(dǎo)老師以及同學(xué)請(qǐng)教，不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案；4 認(rèn)真回顧相關(guān)專業(yè)知識(shí)，及時(shí)請(qǐng)教老師和同學(xué)，完成設(shè)計(jì)計(jì)算。3. 后期工作安排第910周：完成中期報(bào)告的撰寫，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算以及相關(guān)外文文獻(xiàn)的翻譯； 第1112周：完成齒輪等相關(guān)零件的校核計(jì)算，繪制機(jī)械手手部各零件的零件圖； 第1314周：繪制機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)裝配圖； 第1516周：校對(duì)圖紙，撰寫論文，初稿提交； 第1718周：修改論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 注：1、正文：宋體小四號(hào)字，行距22磅。2、中期報(bào)告裝訂入畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件冊(cè)。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作中期檢查表姓 名專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)（論文）題目資料情況選題是否有變化 有 沒有中期報(bào)告 有 沒有英文翻譯 優(yōu) 良 中 差 工作進(jìn)度 提前完成 按計(jì)劃完成 沒有完成工作態(tài)度 認(rèn)真 一般 不認(rèn)真工作質(zhì)量 優(yōu) 良 中 差 檢查結(jié)論 通過 延期答辯 終止畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）存在的問題與建議： 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日注：1 指導(dǎo)教師在相應(yīng)項(xiàng)目方框內(nèi)劃“”。2 中期檢查結(jié)果應(yīng)與是否有資格參加答辯相掛鉤。畢II-23 本表裝訂入畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件冊(cè)。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目： 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真開題報(bào)告填寫要求1開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成。2開題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。3開題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中參考文獻(xiàn)“注釋格式”的要求書寫。4 年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2005年11月26日”。1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、國內(nèi)外相關(guān)研究情況及研究意義）、題目背景工業(yè)機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手1。機(jī)械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問題2。機(jī)械手的發(fā)展已有近40年的歷史了?，F(xiàn)在全世界已有近100萬臺(tái)機(jī)械手在運(yùn)行3，機(jī)械手對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面，已產(chǎn)生重要的影響，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、電子、電器等領(lǐng)域。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作 ,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的機(jī)械裝置。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本課題針對(duì)軸類零件精短自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上這一過程中所使用的機(jī)械手，為保證順利完成取料、喂料和倒頭等動(dòng)作，專門設(shè)計(jì)一手部結(jié)構(gòu)。、國內(nèi)外相關(guān)研究情況目前，在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： 重復(fù)高精度精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 節(jié)能化為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 機(jī)電一體化由“可編程控制器傳感器液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”,節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也已開始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中4。、研究意義機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分5。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高6，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施1 、主要研究內(nèi)容根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。技術(shù)指標(biāo)（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍30-120mm。由于精鍛機(jī)在加工過程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機(jī)的加工對(duì)象確定被夾持對(duì)象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件見圖1、圖2、圖3所示，故被加持工件為30-120mm，重量為60kg的回轉(zhuǎn)體零件。圖1 圓柱形工件圖2 圓管工件圖3 圓錐工件機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓取物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由液壓、氣動(dòng)、電氣裝置驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜7。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能8。2 、擬采用的方案、研究方法或措施研究方法擬采用黑箱法對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行初步分析9，黑箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動(dòng)機(jī)械手工 件驅(qū)動(dòng)能 信 息工件位置改變 夾持圖4 黑箱結(jié)構(gòu)通過對(duì)機(jī)械手動(dòng)作分析及運(yùn)動(dòng)分析，確定其周期運(yùn)動(dòng)可以表現(xiàn)為（按動(dòng)作表現(xiàn)）：夾緊 上升 回轉(zhuǎn) 延伸 放松 收回 反轉(zhuǎn) 下降。流程圖見圖2。通過對(duì)各動(dòng)作功能原理的具體分析從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)10。夾緊工件 大臂回轉(zhuǎn)手腕回轉(zhuǎn)大臂上升手臂延伸放松工件手臂收縮手腕反轉(zhuǎn)手臂反轉(zhuǎn)大臂下降圖5 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程圖從系統(tǒng)功能分解出發(fā)，將系統(tǒng)功能元與功能元的解分別列為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，做成如表1的形態(tài)學(xué)矩陣。表1 立式精鍛機(jī)上料機(jī)械手的低層形態(tài)學(xué)矩陣分功能1234 5 手抓結(jié)構(gòu)形式外抓式內(nèi)抓式真空吸盤電磁吸盤手部傳力機(jī)構(gòu)滑槽杠桿式連桿杠桿式齒輪齒條式絲杠螺母式平行連桿式腕部運(yùn)動(dòng)形式單自由度式手腕二自由度式手腕三自由度式手腕手抓驅(qū)動(dòng)形式液壓式氣壓式電動(dòng)式機(jī)械式研究方案的設(shè)計(jì).手抓結(jié)構(gòu)形式因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)立式精鍛機(jī)的被加持對(duì)象已經(jīng)明確為已加熱工件，故真空吸盤和電磁吸盤都不能運(yùn)用，工件為圓柱形工件時(shí)，內(nèi)抓式手抓不能用，因此選擇外抓式手部形式。.手部傳力結(jié)構(gòu)滑槽式手爪：當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。鉗爪的調(diào)整范圍在0-10mm11。連桿杠桿式手爪：這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。齒輪齒條式手爪：這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%40%）。平行連桿式手爪：采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。本設(shè)計(jì)的對(duì)象是抓取回轉(zhuǎn)體工件的機(jī)械手。且回轉(zhuǎn)直徑30-120mm，變化范圍大，故不能選擇滑槽式手抓，這里選擇齒輪齒條式手爪，使用V形鉗爪12，適用于抓取多種規(guī)格的工件。.腕部運(yùn)動(dòng)形式在上料時(shí)工件需要手腕的回轉(zhuǎn)，這里選用單自由度式手腕。.手抓驅(qū)動(dòng)形式如果機(jī)械手采用機(jī)械傳動(dòng)，則自由度少，難于實(shí)現(xiàn)特別復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于組合機(jī)床自動(dòng)上下料的機(jī)械手，其工件的運(yùn)動(dòng)需要多個(gè)自由度才能完成，故不宜采用機(jī)械傳動(dòng)方案13。如果機(jī)械手采取氣壓傳動(dòng)，由于氣控信號(hào)比光、電信號(hào)慢得多，且由于空氣的可壓縮性，工作時(shí)容易產(chǎn)生抖動(dòng)和爬行，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度不可靠，效率也較低。電氣傳動(dòng)必須有減速裝置和將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜14。綜上所述，我們選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，將液壓馬達(dá)直接裝在手腕上，可以使結(jié)構(gòu)十分緊湊。因此方案確定機(jī)械手采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的是機(jī)械構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)軌跡及受外力所產(chǎn)生外力的變化。一般分析速度、力、力矩等宏觀力。運(yùn)動(dòng)學(xué)是考慮結(jié)構(gòu)在正常工況下有沒有干涉運(yùn)動(dòng)，和質(zhì)量，外力沒有關(guān)系，注意：外力不會(huì)影響系統(tǒng)的自由度。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真包括位置，速度，加速度仿真15。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)：COSMOSMotion 插件是一個(gè)集成在 Solidworks中的運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊，其操作簡單，容易掌握，給工程師們?cè)O(shè)計(jì)分析帶來了巨大的便利。COSMOSMotion 可以對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)靜力學(xué)分析。若將其仿真得到的大量機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù) (諸如每個(gè)零部件的約束力曲線、加速度曲線、系統(tǒng)平衡力矩曲線等)，運(yùn)用Excel 電子表格進(jìn)行處理就可以建立起機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，求解出機(jī)械系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。用 Solidworks 對(duì)零件進(jìn)行三維造型、裝配，然后轉(zhuǎn)到 COSMOSMotion，裝配約束將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束，添加必要的驅(qū)動(dòng)力、工作阻力，建立仿真模型就可以模擬機(jī)械運(yùn)行狀況，對(duì)機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析16。本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作、研究重點(diǎn)及難點(diǎn) 研究重點(diǎn)是確定該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。難點(diǎn)是完成機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運(yùn)動(dòng)分析。、前期已開展的工作 收集了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解了設(shè)計(jì)內(nèi)容的背景情況、主要內(nèi)容及研究意義，采用黑箱法，初步確定了設(shè)計(jì)方案。完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）13周：調(diào)研并收集資料；36周：確定該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)；711周：完成該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；1215周：完成機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運(yùn)動(dòng)分析；16-18周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。參考文獻(xiàn)1姚志良.工業(yè)機(jī)械手淺談(一).組合機(jī)床通訊.1977,1:57622白丁.機(jī)械手. http:/baike.so.com/doc/5338236.html，2013-03-123胡旭蘭.生產(chǎn)線組合機(jī)床自動(dòng)上下料機(jī)械手.機(jī)械制造，2005，07：32344cool1989415.機(jī)械手的應(yīng)用. http:/wenku.baidu.com/view/ 1e240bed0975f46527d 3e1b6.html, 2011-01-095Vicente Feliu,Emiliano Pereira.Passivity-based control of single-link flexible manipulators using a linear strain feedback.Mechanism and Machine Theory 71 (2014)1912086郭益友.工業(yè)機(jī)械手在機(jī)械制造工藝中的發(fā)展及應(yīng)用.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,1(2):36387Z.Mohamed,J.M. 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